荧光增白剂与填料的相互作用对纸张光学性能的影响

刘洪斌 宋 微 董荣业

(天津科技大学,天津市制浆造纸重点实验室,天津,300457)

·荧光增白剂·

荧光增白剂与填料的相互作用对纸张光学性能的影响

刘洪斌 宋 微 董荣业

(天津科技大学,天津市制浆造纸重点实验室,天津,300457)

研究了荧光增白剂(OBA)与PCC的相互作用对纸张光学性能的影响。结果显示,PCC填料的存在降低了荧光增白剂的效率,随着填料用量的增加,荧光增白剂的增白效率下降。对荧光增白剂加入方式的研究揭示了填料对荧光增白剂的吸附对纸张光学性能的影响。

荧光增白剂;PCC填料;ISO亮度;CIE白度

(＊E-mail:hongbin@tust.edu.cn)

Abstract:The effects of interaction between optical brighten agent(OBA)and PCC fillers on the optical properties of the handsheets were studied.Results showed that PCC addition decreases the efficiency ofOBA.The study of adding method of OBA revealed the effect of adsorption between PCC and OBA on optical properties of the handsheets.

Key words:OBA;PCC;ISO brightness;CIE whiteness

荧光增白剂(OBA)是目前广为使用的提高纸张亮度的化学品,其增白原理是将300～400 nm下吸收的紫外光转化为400～500 nm下可见的蓝光,从而提高纸张的亮度,荧光增白剂对纸张的CIE白度也有积极的贡献[1]。

PCC填料,它可以降低纤维原料的成本,改善纸张的光学性能,提高成纸印刷适性。很多研究和工厂实践发现,在荧光增白剂和PCC共同存在的条件下,PCC会降低荧光增白剂的增白效率[2],但从基础理论和定量的角度,关于荧光增白剂和PCC相互作用的研究和报道则较少,本课题研究了荧光增白剂和PCC在造纸湿部的相互作用,并深入研究了PCC和荧光增白剂的吸附作用对纸张光学性能的影响。

1 实 验

1.1 实验原料

浆料为阔叶木浆和针叶木浆的混合浆,浆料配比为70%阔叶木浆和30%针叶木浆。

TinopalUP型荧光增白剂,Ciba公司生产。填料PCC和助留剂CPAM取自山东某厂。

1.2 实验方法

利用PFI磨将混合浆打浆至(40±2)°SR,然后将浓度为1.5%的浆料在标准疏解器上打散,转数15000转,然后,将浓度调节至1%,再用1 mol/L 的H2SO4和NaOH调pH值,用磁力搅拌器搅拌。药品添加顺序是荧光增白剂、PCC、用量为0.05%的CPAM。混合10 min,按照Tappi标准T272sp—2002用德国Rapid-K6 then纸张成形器抄片,纸张的定量为60 g/m2。纸张在25℃、50%的相对湿度下恒温恒湿24 h后测定其光学性能(所使用的仪器为Elrepho分光光度计,D65光源)。其中,ISO亮度采用Tappi标准T452 om-08测定;CIE白度采用Tappi标准T560 om-05测定。

2 结果与讨论

2.1 PCC与荧光增白剂的相互作用对纸张光学性能的影响

PCC以其高白度和高的光散射系数在含机械浆和不含机械浆的纸种中得到了广泛应用[3-4],在欧洲各种纸的生产中,填料含量呈现上升趋势[5]。PCC和荧光增白剂的相互作用对纸张的光学性能有一定的影响。

首先,PCC填料是高白度和高亮度的碳酸钙,加入到纸张中对纸张的亮度和白度都有积极的贡献。如图1～图3所示,当PCC用量从0增加到30%时,纸张的ISO亮度增加了2.8个百分点,CIE白度增加了11.9个百分点,b＊值降低了1.8。荧光增白剂的加入有效地提高了纸张的ISO亮度,同时也提高了纸张的CIE白度。荧光增白剂的用量从0增加到0.4% 时,纸张的ISO亮度增加了18.2个百分点,CIE白度提高了53.8个百分点,b＊值降低了10.5。当PCC和荧光增白剂共同添加时,PCC的存在降低了荧光增白剂的增白效率。就ISO亮度而言,在添加荧光增白剂的条件下,PCC的用量从20%增加到30%时,高填料用量(30%)的纸张较低填料用量(20%)的纸张亮度要低,即填料降低了荧光增白剂的增白效率,随着荧光增白剂用量的增加,对增白效率的降低有一定的弥补作用。就CIE白度而言,从图2和图3可以看到,不加入荧光增白剂,当PCC用量为20% 时,纸张的CIE白度提高了11.4个百分点,b＊值降低了1.1。当PCC用量为30%时,纸张的CIE白度提高了11.9个百分点,b＊值降低了1.8。但加入荧光增白剂时,含有PCC的纸张反而比不含PCC纸张的CIE白度低、b＊值高。为了澄清PCC填料和荧光增白剂之间的相互作用,接下来对它们之间的吸附作用进行了研究。

2.2 PCC填料与荧光增白剂的吸附作用

为研究PCC填料和荧光增白剂之间的相互作用关系,设计了以下实验来考察PCC与荧光增白剂之间的相互作用。实验假设荧光增白剂的加入方式对PCC填料与荧光增白剂之间的相互作用有一定影响,故设计了两种荧光增白剂的加入方式,方式I:浆料纤维先和荧光增白剂混合,然后再加入PCC;方式II:PCC填料和荧光增白剂先相互作用,然后再和浆料纤维混合,考察这两种加入方式对成纸光学性能的影响。表1为不同的OBA加入方式对纸张ISO亮度的影响,图4为不同的OBA加入方式下PCC用量和光散射系数的关系。

表1 不同的OBA加入方式对纸张ISO亮度的影响

在PCC的3种用量下,方式Ⅰ(将OBA加入到浆料中)比方式Ⅱ(将OBA加入到PCC中)的ISO亮度高,而且PCC加入量越大这种现象也越明显。由表1可知,PCC用量为10%时,两种加入方式ISO亮度的差值是0.8%;PCC用量增加到30% 时,两种加入方式ISO亮度的差值达到了1.4%。原因可以从所得到的两种纸张的光散射系数来分析,从表1可以看到,这两种方法所得到的纸张的光散射系数是不同的,方式Ⅰ比方式Ⅱ的光散射系数要高,说明方式Ⅱ中的PCC填料吸收了较多的荧光增白剂,而PCC填料比纸浆纤维的光散射系数要高,那么唯一的解释就是OBA与PCC的相互作用降低了方式Ⅱ中PCC的光散射系数,进而降低了纸张的亮度。

图4 两种OBA加入方式下PCC用量和光散射系数的关系

当浆料与PCC同时存在时,纸张的光散射系数S可以由下式计算:

式中,α是指PCC含量。

从图4的斜率和截距以及光散射系数计算公式可以计算出浆料纤维的光散射系数SPULP和PCC的光散射系数SPCC,结果见表2。

表2 两种加入方式下浆料和PCC的光散射系数

在两种方式下,PCC的光散射系数损失了1.6%。因此最终纸张的亮度下降了。但需要注意的是以上的分析是根据Kubelka-Munk方程在假设光散射系数和光吸收系数相互独立的条件下进行的,但从理论上和实际上二者的相互作用还是存在的。造成PCC光散射系数下降的原因是荧光增白剂分子会进入到PCC填料粒子的孔隙中,增加了填料的不透明度,所以PCC的光散射系数下降了[6]。

另外,表3也显示了在3种PCC用量下,方式Ⅰ比方式Ⅱ有较高的C IE白度、较低的b＊值,而且PCC加入量越大这种现象也越明显。由表3可知,PCC的用量为10%时,两种加入方式C IE白度的差值是1.0%,b＊值的差值是0.1;PCC的用量增加到30%时,两种加入方式C IE白度的差值达到了2.5%,b＊值的差值达到了0.4。这是因为PCC颗粒较小,具有较高的比表面积,有更大的吸收荧光增白剂的能力,使荧光增白剂较多地留着在了PCC上,从而减少了荧光增白剂在浆料上的留着[7-8]。

表3 不同OBA加入方式对纸张C IE白度的影响

3 结 论

3.1 PCC填料和荧光增白剂都可以提高纸张亮度、C IE白度,降低纸张b＊值。PCC填料和荧光增白剂共同添加时,降低了荧光增白剂的增白效率。

3.2 PCC填料和荧光增白剂共同添加时,PCC填料和荧光增白剂的吸附作用会影响纸张的光学性能。对荧光增白剂加入方式的研究表明,填料会吸附荧光增白剂分子,减少荧光增白剂和浆料纤维的作用,从而降低荧光增白剂的增白效率。

[1] 胡惠仁,徐立新,董荣业.造纸化学品[M].北京:化学工业出版社,2002.

[2] HolmbergM.Dyes and fluorescent whitening agents[C]//Paper making Chemistry.Helsinki,Finland,1999.

[3] Gill R,Aarni E,Inppola O.Use of PCC fillers to improve the brightness and opacity of woodfree and wood containing papers[C]//Use ofMinerals in Papermaking.1998.

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[5] Anon.Lowering total system costs[J].Pulp and Paper International, 2006,48(5):41.

[6] Liu Hongbin,Ni Yonghao,Yang Shuhui.Applying dyes to HYP-containing paper grades[J].Appita Journal,2008,61(2):128.

[7] 刘洪斌.染料在高得率浆中的应用研究[D].天津:天津科技大学,2007.

[8] 宋 微,董荣业,刘洪斌.染料与荧光增白剂、填料的相互作用对纸张光学性能的影响[J].中国造纸,2008,27(11):14.

(责任编辑:赵旸宇)

Effect of I nteraction between OBA and PCC Fillers on the Optical Properties of Paper

L IU Hong-bin＊SONGWei DONG Rong-ye

(Tianjin Key Laboratory of Pulp and Paper,Tianjin University of Science and Technology,Tianjin,300457)

刘洪斌先生,博士,讲师;主要从事染料在造纸中的应用研究。

TS727+.2

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0254-508X(2010)02-0022-03

2009-07-15(修改稿)

本课题得到中加国际合作项目(2008DFA91290)资助、天津科技大学引进人才科研启动基金(20080401)资助。